1 Introduction La réception des signaux horaires DCF77

DCF77
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Introduction
La réception des signaux horaires DCF77 est le seul moyen en Europe d'obtenir une
heure précise, de manière fiable, avec un récepteur simple et peu cher. (La réception
de signaux horaires provenant d'un satellite GPS est plus difficile à mettre en
oeuvre).
On peut ainsi recevoir l'heure, la date, et le jour de la semaine. Le changement entre
l'heure d'été et d'hiver est automatique.
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L'émetteur
L'émetteur des signaux horaires DCF77 est situé en Allemagne, à Mainflingen (près
de Francfort), plus précisément à 50,02° de latitude Nord, et 9,00° de longitude
Ouest. L'information horaire est donnée par l'horloge atomique de l'INSTITUT
PHYSIQUE ET DE METROLOGIE DE BRUNSWICK. Cette horloge est très précise,
puisque son écart théorique est de ±1 seconde pour 1 millions d'années.
Grâce à sa position centrale en Europe, à sa puissance d'émission de 50 kW, ainsi
que sa grande puissance rayonnée (30 kW), les informations de cet émetteur
peuvent être correctement reçues dans un rayon de 2000 km, c'est à dire dans une
grande partie de l'Europe, et même dans l'extrême nord de l'Afrique.
La porteuse a une fréquence très stable, de 77,5 kHz (d'où le nom DCF77), qui
dérive de l'horloge atomique. Les faibles fluctuations de cette fréquence sont
principalement dues à la propagation des grandes ondes dans l'atmosphère. Son
écart relatif par rapport à la fréquence de 77,5 kHz est en moyenne sur, 100 jours, de
moins de 2.10E-13. Par conséquent, elle peut être utilisée pour la synchronisation
d'oscillateurs nécessitant une grande précision.
En cas de maintenance ou de dysfonctionnement, un émetteur de réserve est mis en
fonction. Il arrive cependant que les signaux horaires cessent d'être émis,
notamment lors d'orages, pendant un temps généralement très court. Il est donc
nécessaire que l'horloge radiopilotée possède sa propre horloge interne.
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Le signal horaire
Le signal horaire DCF77 est composé d'une fréquence porteuse très stable de 77,5
kHz, modulée en amplitude par les signaux horaires codés en BCD (binary coded
digital).
L'onde porteuse est modulée par des impulsions, au rythme d'une par seconde. Ces
impulsions ce traduisent chaque seconde par une diminution de 25% de l'amplitude
du signal reçu. La durée d'une impulsion, détermine le niveau du bit reçuu, à savoir
qu'une impulsion de 100 ms représente un bit à 0 et qu'une impulsion de 200 ms
represente un bit à 1.
Les informations horaires sont émises par trame d'une minute. Chaque trame est
divisée en soixantes secondes, chacune d'entre elles débutant par le front de
l'impulsion. Il faut noter que, pour la 59ème seconde, il n'y a pas d'impulsion afin de
permettre au décodeur de repérer le début d'une trame. Ainsi, l'impulsion suivante
détermine le début de la trame suivante. Toute absence d'impulsion plus grande que
999 ms doit donc être considérée comme le début d'une nouvelle trame.
Trois fois par heure, durant les minutes 19, 39 et 59 (chaque fois durant les
secondes 20 à 32), le signal « DCF77 » est émis deux fois en morse, à une
fréquence de 250 Hz (diminution de l'amplitude de la porteuse de 85 à 100%), mais
n'interfére pas sur la réception du signal horaire. Ce signal morse est en général filtré
par le récepteur, et on ne le retrouve pas sur le signal logique.
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Les informations contenues dans le signal horaire
Voici, sous forme schématique, la signification des 59 bits reçus durant une minute :
0 (M) :
Début de trame (bit à 1).
1 - 14 :
Réservé pour une utilisation future.
15 (R) :
L'emetteur de réserve est actif lorsque ce bit est à 1.
16 (A1) :
Annonce de l'heure d'hiver.
17, 18 (Z1, Z2) :
Ces deux bits codent le fuseau horaire actuel :
Z1 Z2
Fuseau horaire
0 1 CET (Central European Time) = UTC + 1h
1 0 CEST (Central European Sommer Time) = UTC + 2h
CET correspond à l'heure d'hiver, et CEST correspond à l'heure d'été. Il s'agit
de l'heure légale de la plupart des pays d'Europe.
19 (A2) :
Indique qu'une seconde va être supprimée pour corriger les irrégularités de la
rotation de la terre.
20 (S) :
Bit de début de codage des informations horaires (toujours à 1).
21 - 27 :
Minutes codées en BCD, bit de poids faible en premier :
N° bit 21 22 23 24 25 26 27
Valeur 1 2 4 8 10 20 40
28 (P1) :
Bit de parité (parité paire) des minutes.
29 - 34 :
Heures codées en BCD, bit de poids faible en premier :
N° bit 29 30 31 32 33 34
Valeur 1 2 4 8 10 20
35 (P2) :
Bit de parité (parité paire) des heures.
36 - 41 :
Jour codé en BCD, bit de poids faible en premier.
N° bit 36 37 38 39 40 41
Valeur 1 2 4 8 10 20
42 - 44 :
Jour de la semaine codé en BCD, bit de poids faible en premier :
N° bit 42 43 44
Valeur 1 2 4
45 - 49 :
Mois codé en BCD, bit de poids faible en premier :
N° bit 45 46 47 48 49
Valeur 1 2 4 8 10
50 - 57 :
Année (sur deux chiffres) codées en BCD, bit de poids faible en premier :
N° bit 50 51 52 53 54 55 56 57
Valeur 1 2 4 8 10 20 40 80
58 (P3) :
Bit de parité
59 :
Pas d'impulsion
Pour mieux fixer les idées, voici l'exemple du codage des bits 21 à 28 de la trame
émise pendant la minute 34. Ils codent donc les informations de la minute suivante, à
savoir la minute 35.
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Le récepteur
Le signal horaire DCF77 parvient sous forme de grandes ondes, à une fréquence de
77,5 kHz, sur une antenne puis est démodulé par un récepteur accordé sur cette
fréquence. On obtient à la sortie de ce récepteur un signal logique, correspondant
aux impulsions de 100 et 200 ms émises. Ce signal peut ensuite être traité par un
décodeur afin d'obtenir les informations de date et heure.
Il est possible de réaliser soit même un récepteur DCF77, notamment avec le circuits
intégré U4224B de TEMIC Semiconductors, mais il est plus simple d'acheter un
module de réception DCF77 près à l'emploi, d'autant que cela revient moins cher.
Les récepteurs sans décodeur produisent à partir du signal grandes ondes reçu, des
impulsions de 100 ou 200 ms. Ces signaux doivent ensuite être traités par un
décodeur adéquat (PC,microcontrôleur, etc.). Attention, suivant les récepteurs
employés, il se peut que la sortie soit en logique inversée.
Les modules avec décodeur intégré se composent d'un récepteur DCF77 et d'un
décodeur intelligent intégrés dans le même module. Il s'agit en général d'horloges
radiopilotés complètes, mais il existe aussi des récepteurs avec décodeur intégré qui
possèdent une sortie RS232.